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TRANSFORMER 2020

Technologiestudie zu zentralen Komponenten von Leistungstransformatoren

Wie könnte der Leistungstransformator der Zukunft aussehen? Dieser Frage ging die TRANSFORM, ein Netzwerk aus neun führenden Zulieferern der Transformatorenindustrie, im Projekt TRANSFORMER 2020 nach. Seit April 2014 wurde in einem Verbundprojekt unter der Leitung von Reinhard Schindler, Direktor Marketing bei der Maschinenfabrik Reinhausen, an Lösungen für die Herausforderungen der Anwender gefeilt. Über Interviews und gemeinsame Innovationsworkshops wurden neben den Technikexperten der beteiligten Zulieferfirmen auch OEM- und Betreiberkunden, das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologien in Aachen, Wissenschaftler der Technischen Universitäten Berlin und Dresden, sowie der Universität Stuttgart eingebunden. Ziel der Technologiestudie war es, Innovationspotenziale in den wichtigsten Komponenten des Leistungstransformators zu identifizieren und einen funktionsfähigen Transformator zu entwerfen, der tatsächlich innerhalb der nächsten fünf Jahre in dieser Form gebaut werden könnte. Ein 3D-Modell bekamen die Besucher der Fachveranstaltung TRANSFORM 2015 zu sehen, die am 14. und 15. Oktober in Wien stattfand. Wir stellen die Konzepte und Visionen vor, die vielleicht in absehbarer Zukunft Realität werden könnten.

Kern und mechanische Struktur

Im Inneren des Transformators bringen die beteiligten Unternehmen vor allem neuartige Materialien zum Einsatz, um bislang ungenutzte Potenziale zu erschließen und Schwachstellen auszumerzen.

Verlustarmer GOES Transformatorenkern

abb1Ein Beispiel ist das sogenannte kornorientierte Elektroband (Grain Oriented Electrical Steel = GOES) von ThyssenKrupp Electrical Steel, das im Herzen des neuen Transformators eingesetzt wird. Das neueste GOES-Material in einer Dicke von nur 0.18 mm weist nach Angaben des Herstellers höchste Permeabilität und geringste spezifische Verluste auf. Damit ist diese Sorte besonders geeignet, um die Anforderungen der Europäischen Ecodesign-Richtlinie Tier 2 (2021) umzusetzen. Das Stapeln dieses Elektrobandes zum Kern des Transformattors ermöglicht zudem eine Verbesserung des Transformatorendesigns und verringert Verluste und Geräusche.

Selbsteinstellendes Wicklungs-Spannsystem

In heutigen Transformatoren-Designs werden die Wicklungen auf die Höhe der maximalen zu erwartenden Kurzschlusskraft unflexibel eingespannt. Pressboard Abstandshalter zwischen den Windungen schrumpfen aufgrund dynamischer Belastungen und Materialalterung. Infolge dessen nimmt die Spannkraft der Wicklungen stetig ab. Federn aus Durostone glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) von Röchling Engineering Plastics, die zwischen Druckbalken und Druckring angebracht werden, können nach Ansicht der Experten den Schrumpf ausgleichen und die Spannkraft der Wicklungen während der gesamten Lebensdauer des Transformators konstant halten.

Streuverlustfreie Eisenkern-Druckbalken

abb2Auch im Bereich der Druckbalken könnte der glasfaserverstärkte Kunststoff von Röchling den aktuell verwendeten Metallen überlegen sein, sagt die Projektgruppe. Metallische Druckbalken erzeugen nämlich im magnetischen Wechselfeld Streuverluste (Lastverluste), die eine Erwärmung der Stahlbalken verursachen. Energieverluste sind die Folge. Durostone GFK Druckbalken können die Leerlaufverluste eines Transformators erheblich verringern.

Isolierungssystem

abb3Die bestehenden Öl-/Papierisoliersysteme haben eine begrenzte thermische Belastbarkeit. Mögliche Betriebstemperaturen von über 90°C verkürzen die Lebensdauer des Isoliersystems erheblich. Dies trifft insbesondere auf zellstoffbasierte Materialien wie Kraftpapier, Rollen- und Tafelpressspan zu. Durch den Abbau der Molekülketten des Zellstoffs wird die mechanische Stabilität dieser Materialien beeinträchtigt, was letztlich zu Ausfällen der Isolierung führen kann.

Verbesserte Pressspanisolierung für eine längere Lebensdauer

Der Isolierstoffhersteller Krempel Group verstärkt daher die Isoliermaterialien aus Zellstoff mit Polymerfasern und/ oder speziell behandelten Zellstofffasern, um so die mechanische Festigkeit und gleichzeitig die Temperaturbeständigkeit der Pressspanisolierung zu optimieren.

Neues Konzept mit Öladditiv

abb4Der schwedische Hersteller Nynas hat ein neues Öladditiv entwickelt, das die Lebensdauer von Transformatoren-Isolierungssystemen um bis zu 20 Prozent verlängern kann. Das Additiv wirkt, indem es sich an der Außenseite der Zellulosestruktur des Isolationssystems festsetzt. Wenn die Struktur von innen abgebaut wird, stützt das Additiv sie von außen ab und verlängert so ihre Lebensdauer.

Stufenschalter und Bedienfeld

abb5In diesem Bereich ist im Projekt die Maschinenfabrik Reinhausen aktiv, die den TRANSFORMER 2020 mit einigen ganz grundlegenden Neuerungen ausstattet:

Neue Stufenschalterkonzepte

Innovative Konzepte auf Basis von Servo-Motor-Antrieben könnten die herkömmlichen Federkraftspeicher ersetzen. Damit wird es nach Einschätzung der Projektbeteiligten möglich, die Anordnung von Wähler und Vorwähler sowie des Lastumschalters frei im Trafokessel, zum Beispiel im Zwickel zwischen den Wicklungen zu wählen und damit das Transformatoren-Design zu optimieren. Die konsequente Anwendung der Vakuumtechnik für alle Schaltvorgänge im Stufenschalter könnte einen einheitlichen Ölhaushalt ermöglichen.

Integration aller Steuer- und Überwachungsfunktionen in einem einheitlichen Schaltschranksystem

abb6Die Grundlage bildet eine einheitliche Softwareund Hardware-Architektur mit offenen Schnittstellen. Damit lassen sich alle Standardfunktionen einheitlich abbilden und sämtliche kundenspezifischen Sekundärfunktionen integrieren. Auch Lösungen von Drittanbietern wie Sensoren und Softwarelösungen werden in die Plattform eingebunden, wobei die Architektur die Sicherheits- und Schutzfunktionen aller Applikationen gewährleistet. Durch die Implementierung aller erforderlichen Protokolle ist die Anbindung an die Leit- und Schutztechnik garantiert.

Die Innovationen, die in diesem Funktionssegment zum Tragen kommen, zielen darauf ab, den Platzbedarf für Transformatoren zu verringern und gleichzeitig den Herstellungsprozess beim Transformatorenbauer zu vereinfachen.

Durchführungen

Kompakte Anschlusstechnik

abb7Weltweit wird in den Ballungszentren der Energiebedarf weiter wachsen – die verfügbare Fläche für Umspannwerke hingegen schrumpft. Mit der herkömmlichen Freileitungstechnik lassen sich kompakte Umspannwerke nicht realisieren. Daher entwickelte der auf Kontakt-, Kabel- und Leitungssysteme spezialisierte Anbieter Pfisterer das ursprünglich als Kabelanschluss konzipierte platzsparende, steckbare Connex-System für Spannungsbereiche von 12 kV bis 550 kV weiter zu einem umfassenden Anschluss-System für Transformatoren. Dazu gehören unter anderem ein neuer hochkompakter Mittelspannungsanschluss und ein feststoffisolierter Überspannungsableiter für Hochspannung. Da alle Komponenten berührungssicher sind, lassen sie sich selbst auf engstem Raum ohne Absperrung personensicher aufstellen und einfach inspizieren. Neben dem Platzgewinn bieten die steckbaren Verbindungen zudem Kostenvorteile bei Wartung und Austausch sowie im Hinblick auf die sich wandelnde Netzinfrastruktur, betont das Unternehmen.

Papierfreie Durchführungen aus Resin Impregnated Synthetic (RIS)

Durchführungen aus Spezialpapier, das unter Vakuum mit Epoxidharz imprägniert wird, weisen gute Isolationseigenschaften auf. Allerdings ist Papier auch hygroskopisch, das heißt es nimmt Feuchtigkeit aus der umgebenden Atmosphäre auf. Da sich diese Feuchtigkeit negativ auf die Verlustleistung und die Alterung der Durchführungen auswirken kann, muss sie in der Produktion mit einem aufwendigen Prozess stark reduziert werden. HSP Hochspannungsgeräte ersetzt daher das Spezialpapier durch ein Kunststoffvlies mit homogenen Materialeigenschaften und geringer Feuchtigkeitsaufnahme. So sollen die beschriebenen Nachteile enorm verringert werden beziehungsweise gar nicht auftreten.

Kühlsystem

Lastabhängige Kühlung mit variabler Ventilatordrehzahl

abb8Kühlsysteme sind für den Extremfall ausgelegt und deswegen für den normalen Kühlbedarf überdimensioniert. Ziel von GEA Heat Exchangers ist es, Standardkühler zu entwickeln, die über eine ‚intelligente‘ Steuerung verfügen. Durch Anpassung der Ventilatorgeschwindigkeit mittels einer Steuereinheit sind dabei verschiedene Kühlszenarien möglich, zum Beispiel konstante Transformatortemperatur basierend auf Lastverteilung, Optimierung der Geräuschemission, geringere Kühler- und Ventilatorverschmutzung aufgrund eines geringeren Luftvolumenstroms sowie geringerer Energieverbrauch.

Steuerung und Monitoring

Neben innovativen Materialien und Bauteilen kommt im TRANSFORMER 2020 auch moderne Sensorik und Informationstechnologie zum Einsatz. Im Fokus steht dabei insbesondere die kontinuierliche Zustandsüberwachung des Transformators und seiner Komponenten. Diese schafft die Voraussetzung für eine zustandsbasierte Wartungsstrategie, welche die Wartungsaufwendungen reduzieren und die Lebenserwartung der Transformatoren verlängern kann.

Kontinuierliches Online-Monitoring

abb9Das Monitoringsystem der Maschinenfabrik Reinhausen (MR) erfasst und analysiert alle relevanten Betriebsdaten, einschließlich der Überwachung des Laststufenschalters, Auslastung des Transformators, Temperaturen, Online-DGA sowie den Status der Schutzeinrichtungen. Da das System auf der Automatisierunsplattform aufbaut, kann der Funktionsumfang problemlos erweitert werden – zum Beispiel durch die automatische Spannungsregelung und die intelligente Kühlanlagensteuerung.

Durchführungs-Monitoring mit Referenz- Spannungsmessung

Das Monitoringsystem von MR basiert auf einem innovativen mathematischen Algorithmus zur Überwachung von Wechselspannungs- Durchführungen. Die Messanschlüsse der Durchführungen werden dabei als Oberspannungskapazitäten eines hochpräzisen kapazitiven Messteilers verwendet. Somit kann das resultierende Wechselspannungssignal analysiert werden. Durch Abgleich mit einem weiteren Referenz-Spannungssignal der Netzspannung kann die Validität des analysierten Signals bestimmt werden. Die Veränderung der Hauptkapazität der Durchführung wird durch die Veränderung von der Spannungsamplitude und Phasenverschiebung bewertet.

Online-Monitoring von Durchführungen und Wicklungen

Statistische Daten belegen, dass Isolationsdefekte zu den häufigsten Ausfallursachen von Transformatoren gehören. Die Firma Omicron electronics ermöglicht eine kontinuierliche Online-Überwachung von wichtigen dielektrischen Parametern und will so dazu beitragen, Wartungsmaßnahmen in verschiedenen Phasen des Transformatorbetriebs zu optimieren, Ausfälle zu verhindern und die Betriebsdauer zu verlängern.

Vibroakustisches Monitoring

Die vibroakustischen Sensoren von MR liefern einen umfassenden Einblick in die mechanischen Strukturen des Transformators, wie etwa die Laststufenschalter, die Wicklungen und den Kern. Dabei werden akustische Muster überwacht und somit Störgeräusche erkannt. Die Schwingungen können leicht ermittelt werden, indem an verschiedenen Stellen des Transformators und Laststufenschalters Beschleunigungssensoren angebracht werden. Dadurch kann man langsam fortschreitende Veränderungen frühzeitig erkennen und auf plötzlich auftretende Fehler schnell reagieren.

Optischer Sensor Bus

Von MR kommt auch der optische Sensorbus, der die Integration einer neuen Generation intelligenter Sensoren sowie herkömmlicher Sensoren am Transformator ermöglichen soll. Intelligente Sensoren werden direkt vom Sensorbus erkannt und integriert, bei konventionellen Sensoren kommt ein Medienkonverter zum Einsatz. Dieser wandelt herkömmliche Signale in optische Bussignale um und versorgt herkömmliche Sensoren mit der erforderlichen Energie. Dadurch verringert sich nach Auskunft des Herstellers der Aufwand für die technische Auslegung und Installation erheblich.

Portables System zur temporären Überwachung und Online-Diagnose

abb10Mit dem tragbaren System lassen sich Transformatoren im laufenden Betrieb eingehend diagnostizieren, wenn es Indikatoren für einen Isolationsfehler gibt. Konkret überwacht und analysiert das Gerät eine eventuelle Teilentladung in den Durchführungen und der Wicklung sowie die Kapazität und den Verlustfaktor der Durchführungen. Vorbereitete Anschlussadapter machen es möglich, das System anzuschließen ohne den Transformator außer Betrieb zu nehmen. Das mobile Gerät ist im Bedarfsfall schnell einsatzfähig und bietet daher eine wirtschaftliche Möglichkeit zur Zustandsbewertung einer ganzen Transformatorflotte. Wie bei jeder Studie, soll der TRANSFORMER 2020 innovative technische Konzepte vorstellen und das Interesse der Kunden evaluieren. Die beteiligten Partnerfirmen werden auf Basis der Resonanz des Marktes entscheiden, ob und in welcher Form sie weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte zur Realisierung der Konzepte vorantreiben.

Beteiligte Unternehmen:
GEA Renzmann & Grünewald, HSP Hochspannungsgeräte, Krempel Group, Maschinenfabrik Reinhausen (MR), Nynas AB, Omicron electronics, Pfisterer, Röchling Engineering Plastics und Thyssenkrupp Electrical Steel

Kontakt:

Maschinenfabrik Reinhausen GmbH, Markus Bauer, 93059 Regensburg, Telefon +49 (0) 941 – 4090 5241, Markus.Bauer@reinhausen.com

Bilder: Design Tech